1.3. Химическая связь и строение молекул. Конденсированное состояние вещества

Пример 1. Исходя из теории ковалентной связи, изобразите в виде валентных схем строение молекул: HCl, H₂O, NH₃.

Решение. Согласно методу валентных схем (метод ВС), ковалентная связь образуется путем перекрывания электронных облаков неспаренных электронов. Эта связь двухэлектронная, двуцентровая.

Выпишем валентные электроны атомов, образующих указанные молекулы, и распределим их по орбиталям:

H 1s¹,

Cl 2s² 2p⁵,

O 2s² 2p⁴,

N 2s² 2p³.

При образовании молекулы HCl происходит перекрывание неспаренных s-электрона атома водорода и p-электрона атома хлора:

В молекуле воды перекрываются два неспаренных p-электрона атома кислорода и два s-электрона атомов водорода:

И, наконец, в молекуле аммиака три неспаренных p-электрона атома азота перекрываются с тремя s-электронами атомов водорода:

Н

.

Во всех трех случаях у атомов при обобществлении электронов происходит достройка внешнего энергетического уровня до устойчивой двухэлектронной (гелиевой) конфигурации у атомов водорода или восьмиэлектронной (неоновой) у атомов кислорода и азота.

Пример 2. Почему энергия двойной связи С = С (613,2 кДж) не равна удвоенному значению энергии одинарной связи С  С (348,6 кДж)?

Решение. Энергия связи в значительной мере зависит от способа перекрывания электронных облаков при образовании связи. Если область перекрывания лежит на линии связи  это -связь. Если область перекрывания электронных облаков перпендикулярна линии связи, то это -связь. - и -связи неравноценны по энергии, прочнее -связь.

  

s–s s–p p–p

  

p–p p–d d–d

Соединяющиеся атомы не могут образовывать между собой более одной -связи. Поэтому одинарная связь С  С – это одна -связь с энергией 348,6 кДж. -связь двойной связи С = С равна 264,6 кДж, поэтому энергия двойной связи С=С не равна удвоенному значению одинарной связи С  С.

Пример 3. Как изменяется полярность связи и прочность молекул в ряду HF, HCl, HBr, HI?

Решение. Если ковалентная связь образована при взаимодействии разных атомов, то электронное облако связи всегда смещается к атому с большей относительной электроотрицательностью и связь будет полярной, т. е. полярность связи зависит от электроотрицательности атомов. Чем больше разность относительных электроотрицательностей, тем полярнее связь. Элементы F, Cl, Br, I находятся в одной группе периодической системы Д. И. Менделеева. В группе электроотрицательность сверху вниз падает, значит, самый электроотрицательный элемент  фтор и поэтому связь в молекуле будет самой полярной.

Приведенные в условии задачи молекулы двухатомны, и прочность их определяется прочностью связи водород-галоген. Прочность же связи при прочих равных условиях зависит от длины связи, т. е. от радиуса атома галогена. По группе сверху вниз радиусы атомов увеличиваются, длина связи галогена с водородом растет, а прочность связи соответственно падает, так как чем длиннее связь, тем она менее прочна. Уменьшается и прочность молекул.

Задания

41. Постройте графическую формулу гидросульфата натрия. Укажите виды химической связи в этой молекуле *:

1) ионная, 2) ковалентная полярная, 3) ковалентная неполярная, 4) металлическая, 5) водородная.

Пример: графическая формула сульфата натрия.

Связь Na–О ионная; связь О–S ковалентная полярная.

42. Ваше задание карбонат алюминия*.

43. Ваше задание тиосульфат натрия *

44. Ваше задание гидрокарбонат кальция*.

45. Ваше задание^-гидросульфит натрия*.

46. Ваше задание дигидрофосфат кальция *,

47. Ваше задание гидрофосфат кальция*. .

48. Ваше задание нитрит аммония*.

49. Ваше задание гидроксонитрат кальция*.

50. Ваше задание фосфат аллюминия*.

* Смотрите условие задачи №41.

51. Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?

52. Какая ковалентная связь называется -связью и какая полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Составьте электронные схемы строения молекул N₂, H₂O, HJ. Какие из них являются диполями?

53. Какая ковалентная связь называется -связью и какая -связью? Разберите на примере строения молекулы азота.

54. Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?

55. Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами?

56. Составьте электронные схемы строения молекул Сl₂, H₂S, ССl₄. В каких молекулах ковалентная связь является полярной? Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулы H₂S?

57. Какая химическая связь называется водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н₂O и НF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

58. Какая химическая связь называется ионной? Каков механизм ее образования? Какие свойства ионной связи отличают её от ковалентной? Приведите два примера типичных ионных соединений. Напишите уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.

59. Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов в соединениях СН₄, СН₃ОН, НСООН, СО₂.

60. Какая химическая связь называется металлической? Каков механизм ее образования? Какие свойства металлической связи отличают её от ковалентной?